一种远程部署的地质灾害监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及地质灾害监测技术领域，具体是涉及一种远程部署的地质灾害监测装置及其监测方法。

背景技术

我国每年地质灾害造成的财产损失超过百亿元，对灾害体进行实时观测，获取灾害体变形信息并提前发出预警信息是保障人员生命安全、降低财产损失的重要途径。现有的监测技术手段中，采用地表(裂缝计、GNSS)和地下(深部测斜仪、土壤含水率、土压力计)监测设备都需要人员进入灾害变形区域现场施工；而采用低空摄影测量、机载雷达和卫星遥感等空天监测技术无法做到实时监测。

因此目前地质灾害检测最大的难点是：

1、一些需要进行实时监测的特殊灾害场景，一直无法实现对灾害体的实时变形监测，这是因为人员和常规监测设备无法到达现场进行安装部署，

2、现场施工人员面临极大的生命安全风险，相关人员需要进入灾区在滑坡体上方及山体两侧的灾害体上设置监测点，对灾害体进行实时监测，以保障救援人员安全。

3、常规监测方式施工周期长，短则2到3天，长则可达半月以上，如采用人员监测，人力成本巨大。

因此，亟需一种无须人员进入现场即可安全部署的新型监测装置及监测方法。

发明内容

为了实现以上目的，本发明提供了一种远程部署的地质灾害监测装置，解决极端复杂场景下监测设备不能部署监测和应急监测危险场景下监测设备不能安全部署监测的问题，具体的技术方案如下：

一、监测装置结构

本发明设计的远程部署的地质灾害监测装置，是由监测箱体，以及设置在监测箱体内、电性连接的GNSS接收机和供电系统组成，所述供电系统包括太阳能控制器和锂电池。太阳能控制器的作用是实现稳压与电压转化功能，可以将18V的太阳能转换为12V的直流电存储于锂电池，实现过充保护、过放保护、负载过流及短路保护等功能；GNSS接收机用于接收卫星观测数据，并利用内置集成的4G通信模块将观测数据回传至监测云平台。

所述监测箱体为空心立方体型，用于保护设备主体免受撞击破坏，防止雨水进入。监测箱体顶部为可以打开的开盖结构，打开后可放入GNSS接收机、太阳能控制器和锂电池，最后可以使用螺栓将开盖盖紧固在监测箱体上。

所述GNSS卫星天线包括不锈钢材质中空圆管制备的天线支撑杆，所述天线支撑杆的一端与监测箱体的顶面中心部垂直连接，另一端设置有SMA-KF公头；所述SMA-KF公头通过天线支撑杆内部设置的天线连接线与GNSS接收机连接。所述GNSS卫星天线采用螺旋天线接收卫星信号，是为了最大化的减轻监测装置整体重量，同时，螺旋天线能在一定倾斜角度下保证接收机正常接收卫星观测数据。

在所述监测箱体顶面，以GNSS卫星天线为对称位置，镜像设置有两个太阳能支架；所述两个太阳能支架的上端可合拢连接在天线支撑杆上的对接圆环上；且所述两个太阳能支架的上表面均通过固定螺栓连接有太阳能薄膜。本发明设计的太阳能支架能尽可能保持平衡，且能满足发电冗余需求，可以使得监测装置投放时不用顾虑太阳能薄膜的朝向是否朝南(例如太阳能薄膜为南北朝向时，有一面必定朝南，可满足光照发电要求，即使太阳能薄膜为东西朝向，不论上午还是下午，总有一面可以正对光照方向，进行发电)，以满足长期连续观测时最大化地吸收太阳能。

所述监测箱体的底面四角分别设置有插针，插针的底部削尖，用于插入地面固定。

进一步地，所述监测箱体上、与两个太阳能支架位置垂直的侧面顶部设置有开口朝上的抗摆卡钩。

进一步地，本发明设计的监测装置包括使所述监测箱体与无人机连接的抗摆动结构。所述抗摆动结构包括与无人机连接的飞行平台，所述飞行平台底部的相对两边中心位置设置有云台控制器。所述抗摆动结构能保证无人机搭载监测装置飞行过程中水平方向不会发生晃动，从而确保无人机不会因为晃动而频繁找平，并致使其发生坠毁。

进一步地，所述抗摆动结构包括一对支撑架，所述支撑架是一种由无人机起落架通过其上设置的三通管与抗摆支架构成的截面为直角三角形的支架；这里主要利用了三角形具有稳定性的原理，使得支撑架更稳固，不容易晃动。所述支撑架的小角端与飞行平台上的云台控制器连接，支撑架的大角端设置有卡接在抗摆卡钩上、且两端设置有限位环的限位杆；通过限位杆既可以实现对监测箱体的空中投放，亦可以保证监测箱体在航行过程中、在水平方向不会发生晃动。

进一步地，以与所述两个太阳能支架所在平面均平行的方向为观察方向，以顺时针方向为转动方向，右侧太阳能支架与水平面的夹角范围为45°～60°，大的角度调节范围可以适应不同纬度、不同地区的使用需求。

进一步地，所述太阳能支架上设置有防水接线盒，所述天线支撑杆的杆身上、位于对接圆环的下方位置设置有开口朝下的通线嘴，所述通线嘴的开口朝下，能够有效防止雨水倒灌，此外开口处使用橡胶密封圈和穿过的电线固定在一起，可以进一步的避免异物进入。所述太阳能薄膜上的太阳能连接线经防水接线盒、通线嘴与监测箱体内的太阳能控制器连接。

进一步地，所述监测箱体的顶面设置有4G增益天线，所述4G增益天线底部为磁性贴片，吸附在具有铁质材质的监测箱体表面，且与GNSS接收机连接，4G增益天线主要是为了增强4G通信网络，使得GNSS接收机内置的通信模块更好的进行数据传输。

进一步地，所述监测箱体内腔底面，GNSS接收机、太阳能控制器、锂电池的角点均设置有缓冲材料，可保护监测箱体不会在下落到地面时，因撞击而损坏。

进一步地，本发明设置有起飞平台，所述起飞平台的主要作用是：因为无人机机架高度有限，而为了尽可能升高GNSS卫星天线，以获得数据质量良好的观测数据，GNSS卫星天线的高度一般高于无人机机架高度，因此使用飞行平台能够解决置于平地时，监测装置不能直接安置于飞行平台之下的问题。

二、监测方法

S1、将飞行平台置于起飞平台之上，将抗摆动结构的限位杆卡接在将监测箱体的抗摆卡钩上；此时，因为抗摆动结构处于受压状态，所以支撑架与抗摆卡钩之间处于锁定状态。

S2、根据事前选择好的监测装置投放位置的经纬度，进行无人机航线规划；当无人机起后，因为支撑架不承重，所以会在自重的影响下有回转下落的倾向，此时通过云台控制器锁定支撑架位置。

S3、控制无人机运载监测装置到指定了经纬度坐标的投放地点，并通过无人机飞行平台之上搭载的相机确保抛投位置正确。

S4、利用无人机飞控检查飞行平台是否保持水平，操纵无人机的飞控云台，控制云台控制器状态变更为“开”，通过云台控制器控制支撑架回转，使限位杆与抗摆卡钩脱离，监测箱体就会自然脱钩投放。

S5、监测装置通过自由落体获得一定的速度后插入地面，实现监测装置的固定。

S6、无人机拍摄监测装置投放后的照片后返航，通过监测云平台检查观测数据是否回传，数据质量是否正常，监测结果是否可用。

与现有的地质灾害监测装置相比，本发明的有益效果是：

本发明能够在常规监测设备和人员无法进入现场安装部署的极端复杂场景下实现GNSS监测设备部署监测，以及应急监测危险场景下GNSS监测设备的安全部署监测，为实现对可能来临的地质灾害的提前准确预警提供必须的监测数据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的剖视图；

图3是本发明的监测箱体与抗摆动结构的连接示意图；

图4是本发明的监测箱体投放示意图；

图5是本发明的外观图；

图6是本发明与无人机的连接示意图；

图7a、7b、7c是本发明的实际应用图。

图中：1-GNSS接收机、2-供电系统、21-太阳能控制器、22-锂电池、3-监测箱体、31-GNSS卫星天线、311-SMA-KF公头、312-天线支撑杆、313-天线连接线、314-对接圆环、315-通线嘴、316-太阳能连接线、32-太阳能支架、321-太阳能薄膜、322-防水接线盒、323-固定螺栓、324-插针、326-抗摆卡钩、327-4G增益天线、328-缓冲材料、4-抗摆动结构、41-飞行平台、411-云台控制器、42-支撑架、421-无人机起落架、422-抗摆支架、423-限位杆、4231-限位环、5-起飞平台。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的方式和取得的效果，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚和完整地描述。

实施例一

实施例一旨在对本发明的结构和各部份的制备材料进行阐述，具体内容如下：

如图1～3所示，本发明设计的远程部署的地质灾害监测装置，是由监测箱体3，以及设置在监测箱体3内、电性连接的GNSS接收机1和供电系统2组成，所述供电系统2包括太阳能控制器21和锂电池22。太阳能控制器21的作用是实现稳压与电压转化功能，可以将18V的太阳能转换为12V的直流电存储于锂电池22，实现过充保护、过放保护、负载过流及短路保护等功能；GNSS接收机1用于接收卫星观测数据，并利用内置集成的4G通信模块将观测数据回传至监测云平台。

所述监测箱体3为空心立方体型，具体尺寸可以为180mm×180mm×100mm，用于保护设备主体免受撞击破坏，防止雨水进入。监测箱体3顶部为可以打开的开盖结构，打开后可放入GNSS接收机1、太阳能控制器21和锂电池22，最后可以使用螺栓将开盖盖紧固在监测箱体3上。

所述GNSS卫星天线31包括不锈钢材质中空圆管制备的天线支撑杆312，所述天线支撑杆312的一端与监测箱体3的顶面中心部垂直连接，另一端设置有SMA-KF公头311；所述SMA-KF公头311通过天线支撑杆312内部设置的天线连接线313与GNSS接收机1连接。所述GNSS卫星天线31采用螺旋天线接收卫星信号，是为了最大化的减轻监测装置整体重量，同时，螺旋天线能在一定倾斜角度下保证接收机正常接收卫星观测数据。

在所述监测箱体3顶面，以GNSS卫星天线31为对称位置，镜像设置有两个太阳能支架32；所述两个太阳能支架32的上端可合拢连接在天线支撑杆312上的对接圆环314上；且所述两个太阳能支架32的上表面均通过固定螺栓323连接有太阳能薄膜321。本发明设计的太阳能支架32能尽可能保持平衡，且能满足发电冗余需求，可以使得监测装置投放时不用顾虑太阳能薄膜321的朝向是否朝南(例如太阳能薄膜321为南北朝向时，有一面必定朝南，可满足光照发电要求，即使太阳能薄膜321为东西朝向，不论上午还是下午，总有一面可以正对光照方向，进行发电)，以满足长期连续观测时最大化地吸收太阳能。

所述监测箱体3的底面四角分别设置有不锈钢材料制备的插针324，插针324的底部削尖，用于插入地面固定。

具体的，所述监测箱体3上、与两个太阳能支架32位置垂直的侧面顶部设置有开口朝上的抗摆卡钩326。

具体的，本发明设计的监测装置包括使所述监测箱体3与无人机连接的抗摆动结构4。所述抗摆动结构4包括与无人机连接的飞行平台41，所述飞行平台41底部的相对两边中心位置设置有云台控制器411。所述抗摆动结构4能保证无人机搭载监测装置飞行过程中水平方向不会发生晃动，从而确保无人机不会因为晃动而频繁找平，并致使其发生坠毁。

具体的，所述抗摆动结构4包括一对支撑架42，所述支撑架42是一种由无人机起落架421通过其上设置的三通管4211与抗摆支架422构成的截面为直角三角形的碳纤维支架；这里主要利用了三角形具有稳定性的原理，使得支撑架42更稳固，不容易晃动。所述支撑架42的30°角端与飞行平台41上的云台控制器411连接，支撑架42的60°角端设置有卡接在抗摆卡钩326上、且两端设置有限位杆4231的限位杆423；通过限位杆423既可以实现对监测箱体3的空中投放，亦可以保证监测箱体3在航行过程中、在水平方向不会发生晃动。

具体的，以与所述两个太阳能支架32所在平面均平行的方向为观察方向，以顺时针方向为转动方向，右侧太阳能支架32与水平面的夹角范围为45°，大的角度调节范围可以适应不同纬度、不同地区的使用需求。

具体的，所述太阳能支架32上设置有防水接线盒322，所述天线支撑杆312的杆身上、位于对接圆环314的下方位置设置有开口朝下的通线嘴315，所述通线嘴315的开口朝下，能够有效防止雨水倒灌，此外开口处使用橡胶密封圈和穿过的电线固定在一起，可以进一步的避免异物进入。所述太阳能薄膜321上的太阳能连接线316经防水接线盒322、通线嘴315与监测箱体3内的太阳能控制器21连接。

具体的，所述监测箱体3的顶面设置有4G增益天线327，所述4G增益天线327底部为磁性贴片，吸附在具有铁质材质的监测箱体3表面，且与GNSS接收机1连接，4G增益天线327主要是为了增强4G通信网络，使得GNSS接收机1内置的通信模块更好的进行数据传输。

具体的，所述监测箱体3内腔底面，GNSS接收机1、太阳能控制器21、锂电池22的角点均设置有缓冲材料328——可发性聚苯乙烯材料EPS，可保护监测箱体3不会在下落到地面时，因撞击而损坏。

具体的，本发明设置有起飞平台5，所述起飞平台5的主要作用是：因为无人机机架高度有限，而为了尽可能升高GNSS卫星天线31，以获得数据质量良好的观测数据，GNSS卫星天线31的高度一般高于无人机机架高度，因此使用飞行平台5能够解决置于平地时，监测装置不能直接安置于飞行平台41之下的问题。

实施例二

实施例二与实施例一除了以下内容外，其余部分均相同：

以与所述两个太阳能支架32所在平面均平行的方向为观察方向，以顺时针方向为转动方向，右侧太阳能支架32与水平面的夹角范围为55°，以满足不同纬度、不同地区的使用需求。

实施例三

实施例三与实施例一除了以下内容外，其余部分均相同：

以与所述两个太阳能支架32所在平面均平行的方向为观察方向，以顺时针方向为转动方向，右侧太阳能支架32与水平面的夹角范围为60°，以满足不同纬度、不同地区的使用需求。

应用例

本应用例是以实施例一中的结构为基础进行叙述的，旨在阐明本发明的监测方法，结合图5～图6所示，本发明具体的监测方法如下：

S1、将飞行平台41置于起飞平台5之上，将抗摆动结构4的限位杆423卡接在将监测箱体3的抗摆卡钩326上；此时，因为抗摆动结构4处于受压状态，所以支撑架42与抗摆卡钩326之间处于锁定状态。

S2、根据事前选择好的监测装置投放位置的经纬度，进行无人机航线规划；当无人机起后，因为支撑架42不承重，所以会在自重的影响下有回转下落的倾向，此时通过云台控制器411锁定支撑架42位置。

S3、控制无人机运载监测装置到指定了经纬度坐标的投放地点，并通过无人机飞行平台41之上搭载的相机确保抛投位置正确。

S4、利用无人机飞控检查飞行平台41是否保持水平，操纵无人机的飞控云台，控制云台控制器411状态变更为“开”，通过云台控制器411控制支撑架42回转，使限位杆423与抗摆卡钩326脱离，监测箱体3就会自然脱钩投放。

S5、监测装置通过自由落体获得一定的速度后插入地面，实现监测装置的固定。

S6、无人机拍摄监测装置投放后的照片后返航，通过监测云平台检查观测数据是否回传，数据质量是否正常，监测结果是否可用。